由于所有元件的换向过程都相同,所以只要讨论其中任意 个元件就行了。如图2-14(a)所示,为了清晰,图中只画出 了处于换向过程的1号元件。换向前它的上层边在S极下,下 层边在N极下;换向后,上层边与下层边所在的磁极极性改变, 显然,它的电流方向与换向前不同(图2-14(b))。换向时,元 件处于几何中性面上,电刷与1、2号换向片接触,将换向元件 短路(图2-14(c))。所以,在元件换向过程中,不仅元件的两 个有效边在磁极下的位置发生了变化,而且电流方向也同时发 生了变化。值得注意的是,在换向过程中,换向元件中会产生 感应电动势 在换向过程中,换向元件里的电流有一个十分迅速的变化 如果直流电机的电枢总电流是La,每条支路(也就是每个绕组 元件)中的电流就是2(a是电枢支路对数)。实际上,绕组元 件就是一个具有铁心的电感线圈,所以在元件换向过程中,元 件内的电流快速(一般只有千分之几秒)从十分变化到-2时, 必然会在绕组元件中产生一个自感电动势e,根据楞次定律,e 的方向是阻止电流的变化,即与绕组元件换向前的电流方向相 同 绕组元件在换向时被电刷短路,其两个元件边是处在几何 中性面上的。若电枢中没有电流时,几何中性面也就是主磁场 的物理中性面,这里的磁感应强度等于零,因此被电刷短路的 换向元件内不会产生感应电动势。可是电枢反应使得气隙磁场 的物理中性面相对于几何中性面移动了一个角度R(要注意,在 电动机和发电机中,移动的方向是不同的)。于是处于几何中性 面上的换向元件仍然要切割气隙中的磁力线,从而产生了感应 电动势,它的方向也是与换向前的电流方向一致的,也就是说
与e同方向。 这两个电动势在被电刷短路的换向元件中,就会产生附加 电流。电枢绕组元件实际上既然是一个电感线圈,那么只要其 中有电流,就储存着一定大小的磁场能量。当被短路的换向片 离开电刷时,短路回路断开,在换向元件中储存的磁场能量释 放出来,在电刷与换向器之间产生了火花。显然,严重的火花 将损坏电刷和换向器,使电动机不能工作。在最坏的情况下,火 花会在高速旋转的整个换向器上出现,形成一个火环。此外,电 刷下面的火花还是一个电磁波的来源,将会对附近的无线电接 收或其它通讯线路发生干扰。 有没有办法使火花尽量减小或者消除呢?根据上面的分析, 火花主要是由附加的换向电流所引起的。为了尽量减小火花,改 善换向情况,必须设法消除换向元件中的感应电动势或增大换 向元件回路中的电阻值。在一般直流电动机中,常采用在电刷 所在的中性面上加装换向极来改善换向情况。 换向极是比主磁极小的附加磁极,一般装在主磁极之间的 几何中性面上。图2-15是直流电机中换向极的安装情况。为了 抵消电枢磁场的影响(也就是消除电枢反应),应该使换向极磁 场的方向和电枢磁场的方向相反,即换向极应该装在几何中性 面上。同时,如果使换向极产生的磁通比电枢磁场的磁通大,就 可以在换向元件中产生一个与自感电动势c方向相反的感应 电动势。这样,可以使换向元件中的附加电流大大减小或消除, 改善了换向状况 由于电枢磁场和自感电动势e都与电枢电流J戒正比,而 L的大小又决定于负载的大小,所以换向极绕组必须与电枢绕 组相串联,使换向极磁场正比于电枢电流。当Ia增大、电枢反 应增强、自感电动势ε增大时,换向极磁场也随着增强。这样
在各种不同的负载下,换向极都能起到改善换向的作用。 换向磁极 主登摄 图2-15换向极应装在主磁极的几何中性而上 需要说明,换向极的作用是有限的,这是因为换向极的铁 心较小,当电枢电流增加到一定程度后,换向极铁心达到饱和, 它就不再能起到完全抵消电枢磁场和自感电势eL的作用,所以 换向时仍会出现火花、为此,我们要对电枢电流的最大值加以 限制。直流电动机电枢所容许的瞬时过载电流的最大值lmx与 额定电流l之比 制做过载系数。在一般直流电动机中,k=2~25 换向时产生火花,除了上述电磁方面的原因外,还有机械 的和化学的原因:电刷与换向器接触不良、换向器表面不平滑、 换向器偏心、换向器表面的氧化亚铜薄膜受到破坏等等,都会 引起火花。另外,工作条件不好(例如电动机在振动较大或尘
埃、盐雾、化学气体较多的地方工作)、电动机过负载或负载剧 烈变化等,也都会引起火花。因此,加强对直流电动机的电刷 和换向器的维护是十分重要的。 从1831年第一台原理性的直流电动机问世到现在,100多 年已经过去了。早在19世纪70年代,直流电动机的结构就大 体上和现在一样了。但是,由于换向问题上存在的某些困难,现 代直流电动机的极限容量只达到1000kW左右,电压也较 低。 三、直流电动机的铭牌 每台直流电动机的机座上都有一块铭牌、它表明了正确使 用这台电动机的各项技术数据(有时又称技术参数),这些数据 就是直流电动机的额定值,所以额定值又可以叫做铭牌值。表 2-1是一台直流电动机的铭牌。 直流电动机的铭牌 直流电动机 励磁 并激 功率 22kW 励磁电压 220v 电压 220v 励磁电流 2.06A 电流 116A 定额 连续 转速 1500r/min 温升 80C 出品号数 出品日期 X×X年×月 ⅩX×X电机厂 直流电动机铭牌上标注的额定数据使用时必须注意。 1.型号 表示直流电动机属于哪一类别,它往往用字母与数字组合
一起表示。如Z2-72:Z表示直流电动机;2表示第二次统一设 计;72表示7号机座,第2种电枢铁心长度 颖定功率PN 是指轴上输出的机械功率,单位一般以千瓦(kW)表示。 额定电压UN 是指供给直流电动机的电源电压,单位以伏(V)表示。 额定电流 是指轴上带有额定机械负载功率时的输入电流,单位为安 (A)。 5.额定转速nN 是指电压、电流和输出功率均为额定值时的转子旋转的速 度,单位用转/分(r/min)表示。 6.励碳 表示励磁的方式。 7.励磁电压 表示加在励磁绕组两端的额定电压,单位是伏(V)。 8.励磁电流 表示在额定励磁电压下,通过励磁绕组上的额定电流,单 位是安(A) 9.定额(工作方式) 是指电动机在正常使用时持续的时间,一般分连绩、断续 与短时三种。 10.温升 表示电动机在额定情况下,电动机所允许的工作温度减去 环境温度的数值,单位是℃ 电动机的额定电压UN和额定电流Ix的乘积,是指它的输 入功率P1,它的额定输出功率应该是CxN与额定效率的乘